Bei einem akuten Lungenversagen senkt maschinelle Beatmung mit niedrigen Atemzugvolumina das Risiko für einen Ventilationsassoziierten Lungenschaden (VALI). Allerdings sind weitere Beatmungseinstellungen (Positive End-Exspiratory Pressure [PEEP], Recruitment Maneuver [RM]) zur Reduktion eines VALI Gegenstand aktueller klinischer und grundlagentechnischer Forschung. Studiendaten produzieren diesbezüglich ein heterogenes Meinungsbild. Ein restriktives Management von PEEP und Lungenrekrutierung (ARDSnet-PEEP-Tabelle) findet gleichermaßen Befürworter wie Studien, welche die Minimierung von tidaler Rekrutierung (TR) durch RM und/oder PEEP-Titrierung als lungenprotektives Management propagieren. In diesem experimentellen 24-Stunden-Langzeitversuch mit akutem Lungenversagen (ARDS) durch ein klinisch relevantes, experimentelles Salzsäure-Aspirationsmodell am Schwein wurden drei verschiedene, randomisierte Beatmungsstrategien durch individuelle PEEP-Einstellung anhand der ARDSnet-PEEP-Tabelle (ARDSnet-Gruppe), des Open- Lung-Concept (OLC-Gruppe) und des EIT-generierten SDRVD (EIT-Gruppe) untersucht. Hinsichtlich der Frage nach lungenprotektiver, individueller Beatmung und der Vermeidung eines VALI wurden Parameter der quantitativen Computertomographie (CT), der non-invasiven bettseitigen Elektroimpedanztomographie (EIT) und aus histologischen Untersuchungen (Diffuse Alveolar Damage [DAD] Score) herangezogen und verglichen.:I. Inhaltsverzeichnis II. Abkürzungsverzeichnis 1. Einführung in die Thematik 1.1 Akutes Lungenversagen – Acute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) 1.1.1 Definition, Epidemiologie, Ätiologie und Pathogenese des ARDS 1.1.2 Lungenprotektive maschinelle Beatmung und Ventilationsassoziierter Lungenschaden (VALI) bei Patienten mit ARDS 1.2 In der Studie verglichene Beatmungsstrategien 1.2.1 ARDS Network Protokoll (ARDSnet-Gruppe) 1.2.2 Open Lung Concept (OLC-Gruppe) 1.2.3 Elektroimpedanztomographie (EIT-Gruppe) 1.3 ARDS – Bildmorphologie (CT und EIT) und Histologie (DAD-Score) 1.3.1 Elektroimpedanztomographie (EIT) – Standard deviation of regional ventilation delay (SDRVD) 1.3.2 Computertomographie (CT) – Lungenkollaps und Tidale Rekrutierung 1.3.3 Histologie – Diffuse Alveolar Damage Score (DAD-Score) 1.4 Statistische Methoden 1.5 Wissenschaftliche Zielsetzung 2. Publikationsmanuskript 3. Zusammenfassung 4. Literaturverzeichnis 5. Anlagen (Supplemental Material) 6. Darstellung des eigenen Beitrags 7. Selbstständigkeitserklärung 8. Teilnahmebescheinigung: Vorlesung zur „Guten wissenschaftlichen Praxis“ an der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig 9. Wissenschaftlicher Lebenslauf 10. Publikationen 11. Danksagung

Thoracic surgical procedures require partial or complete airway separation and the opportunity to exclude one lung from ventilation (one-lung ventilation, OLV). OLV is commonly associated with profound pathophysiological changes that may affect the postoperative outcome. It is injurious in terms of increased mechanical stress including alveolar cell stretch and overdistension, shear forces secondary to repeated tidal collapse and reopening of alveolar units and compression of alveolar vessels. Ventilation and perfusion distribution may thus be affected during and after OLV. The present studies investigated the influence of OLV on ventilation and perfusion distribution, on the gas/tissue distribution and on the lung histomorphology in a pig model of thoracic surgery. Anaesthetised and mechanically ventilated piglets were examined. The ventilation and perfusion distribution within the lungs was assessed by single photon emission computed tomography. Computed tomography was used to establish the effects of OLV on dependent lung gas/tissue distribution. The pulmonary histopathology of pigs undergoing OLV and thoracic surgery was compared with that of two-lung ventilation (TLV) and spontaneous breathing. OLV induced hyperperfusion and significant V/Q mismatch in the ventilated lung persistent in the postoperative course. It increased cyclic tidal recruitment that was associated with a persistent increase of gas content in the ventilated lung. OLV and thoracic surgery as well resulted in alveolar damage.  In the present model of OLV and thoracic surgery, alveolar recruitment manoeuvre (ARM) and protective ventilation approach using low tidal volume preserved the ventilated lung density distribution and did not aggravate cyclic recruitment of alveoli in the ventilated lung. In conclusion, the present model established significant alveolar damage in response to OLV and thoracic surgery. Lung injury could be related to the profound pathophysiological consequences of OLV including hyperperfusion, ventilation/perfusion mismatch and increased tidal recruitment of lung tissue in the dependent, ventilated lung.  These mechanisms may contribute to the increased susceptibility for respiratory complications in patients undergoing thoracic surgery. A protective approach including sufficient ARM, application of PEEP, and the use of lower tidal volumes may prevent the ventilated lung from deleterious consequences of OLV.

Einleitung: Trotz jahrzehntelanger Forschung bleibt die lungenprotektive Beatmung bei Menschen mit Lungenkontusion und daraus resultierendem ARDS ein kontrovers diskutiertes Thema. Als bisheriger Goldstandard gilt das ARDSnet Protokoll. Es zeichnet sich durch ein niedriges Tidavolumen (6ml/kg), einen maximal zu erreichenden Plateaudruck von 30cmH2O und tabellarisch festgelegten Kombinationen von Positivem Endexspiratorischen Druck (PEEP) und Inspiratorischer Sauerstoffkonzentration (FiO2) aus. Die Generierung einer akzeptablen Oxygenierung bei minimaler Volu- und Barotraumabelastung ist das Ziel. Im Gegensatz dazu steht das OPEN LUNG Konzept (OLC), bei welchem zu Beginn der Therapie ein Rekrutierungsmanöver zum Öffnen aller Alveolen durchgeführt wird. Anschließend erfolgt die Beatmung mit titriertem, hohem PEEP Niveau, sodass die Lunge offen gehalten werden kann. Tidalvolumen und Sauerstoffpartialdruck werden so gering wie möglich eingestellt. Ziele der Arbeit: Ein Ziel dieser Arbeit war es, auf histologischer Basis zu evaluieren, ob es einen beatmungsassoziierten Unterschied der Lungenschädigung nach experimentell erfolgtem Thoraxtrauma am Modell Schwein gibt. Darüber hinaus sollten als zweites Ziel dieser Arbeit zwei histologische Analysemethoden in ihrer Anwendbarkeit überprüft und miteinander verglichen werden. Tiere, Material und Methoden: Als Versuchstiere gingen 17 weibliche, 10-12 Wochen alte Schweine der Deutschen Landrasse in den Versuch ein. Nach experimentell induziertem Thoraxtrauma (Fallrohr-assoziiert) wurden die Tiere in zwei Beatmungsgruppen randomisiert und über 24 Stunden nach ARDSnet oder OLC Protokoll beatmet. Nach erfolgter Euthanasie der Tiere am Ende des Versuches wurden Lungenproben aus insgesamt 9 Arealen der Lobi caudales (rechts dorsal, rechts medial, rechts ventral, rechts Kontusion, rechts Randkontusion, links dorsal, links medial, links ventral und links Contre Coup) gewonnen und fixiert. Als Analysemethoden standen der DAD Score (semiquantitative Analyse) und ein für diese Arbeit entwickelter Grid Score, der an Hand eines Punktegrids die Auswertung der Präparate erweitern und verfeinern sollte, zur Verfügung. Die statistische Auswertung des Datenpools erfolgte durch die Anwendung des Kolmororov-Smirnov-Tests, gefolgt von dem Mann-Whitney-U-Test (p<0,05). Für die Analyse der Interobserver- und Intraobserver-Übereinstimmung wurde die Bland-Altman-Methode genutzt. Ergebnisse: Es konnte ein klarer Unterschied im histologischen Schädigungsbild zwischen den Beatmungskonzepten OLC und ARDSnet in beiden Analysemethoden detektiert werden. Dieser beschränkte sich auf den Bereich „rechts dorsal“. In allen Kriterien des DAD Scores (intraalveoläres Ödem, Hämorrhagie und Inflammation) zeigte sich ein signifikant geringeres Schädigungsbild der Lunge im OLC verglichen mit dem ARDSnet Protokoll (Mittelwerte der Scoringpunkte für intraalveoläres Ödem: 1,2 im OLC und 4,2 im ARDSnet; Hämorrhagie: 1,2 im OLC und 3,3 im ARDSnet; Inflammation: 3,3 im OLC und 7,5 im ARDSnet). In der Grid Score Methode wurde diese Aussage bei den Kriterien „Luft“ (51,2% im OLC und 17,9% im ARDSnet), „Zellen“ (24,6% im OLC und 41,2% im ARDSnet), „Blut“ (1,9% im OLC und 12,5% im ARDSnet), „Ödem-Blut-Gemisch“ (2% im OLC und 9% im ARDSnet) und „Gewebe gesamt“ (48,8% im OLC und 82,1% im ARDSnet) bestätigt. Das Kriterium „Hyaline Membran“ wurde im OLC signifikant häufiger ermittelt (0,9% im OLC und 0,3% im ARDSnet). Im Kriterium „Ödem“ des Grid Scores konnte kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Beatmungskonzepten evaluiert werden (19,6% im OLC und 19,3% im ARDSnet). Schlussfolgerung: Der histologisch sichtbare Lungenschaden nach Thoraxtrauma ist nach 24 Stunden OLC-Beatmung signifikant geringer als mit ARDSnet-Beatmung. Damit bietet das OLC die bessere Möglichkeit zur Regeneration. Da sekundäre Schäden bis hin zum Multiorganversagen auf ein Thoraxtrauma folgen können, sollte in weiteren Untersuchungen zusätzlich die Reaktion des gesamten Körpers verglichen werden. In Abhängigkeit des Schädigungsmusters ist dann eine entsprechende intensivmedizinische Behandlung zu wählen. Im Vergleich der Scoringmethoden kann zusammengefasst werden, dass beide Methoden durchaus die histologischen Unterschiede des Lungenschadens beider Beatmungskonzepte quantifizieren konnten, allerdings Vor- und Nachteile bergen. Deutlich wurde im Verlauf der Untersuchungen, dass in der Grid Score Methode einzelne Kriterien genauer definiert werden müssen. Generell verspricht die Grid Score Methode jedoch einen erheblichen Informationszuwachs im Vergleich zum DAD Score.:Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 2 2.1 Anatomie und Physiologie der Lunge 2 2.1.1 Makroskopischer Aufbau und Funktion 2 2.1.2 Histologie des Alveolarraumes 3 2.2 Thoraxtrauma und Lungenkontusion 5 2.2.1 Lungenkontusion 5 2.2.1.1 Definition und Charakter der Lungenkontusion 5 2.2.1.2 Geschichtlicher Hintergrund der Forschung zur Lungenkontusion 6 2.2.1.3 Modellmöglichkeiten zur Nachstellung einer Lungenkontusion in der Forschung 6 2.2.2 Thoraxtrauma und Lungenkontusion in der Tiermedizin- Vorkommen, Häufigkeit und Ursachen 7 2.3 Diffuse Alveolar Damage und Acute Respiratory Distress Syndrome- Definition und histologischer Hintergrund 9 2.3.1 Diffuse Alveolar Damage 9 2.3.2 Acute Respiratory Distress Syndrome 10 2.4 Therapiekonzepte einer Lungenkontusion 12 2.4.1 Das ARDS Netzwerk Protokoll 12 2.4.2 Das Open Lung Concept 13 2.4.3 Beatmungsassoziierte Schäden- VALI/VILI 14 2.4.4 Behandlung einer Lungenkontusion in der Tiermedizin 16 2.5 Histologische Analysen pulmonaler Schädigung 17 2.5.1 Der Diffuse Alveolar Damage Score 17 2.5.2 Der Grid Score zur Quantifizierung histologischer Veränderungen des Lungenparenchyms 19 3 Tiere, Material und Methoden 20 3.1 Versuchstiere 20 3.2 Versuchsablauf 21 3.2.1 Prämedikation und Instrumentierung 22 3.2.2 Ablauf aller Messmanöver eines Messzeitpunktes 25 3.2.3 Thoraxkontusion und Prähospitale Phase 27 3.2.4 Randomisierung und Einstellung der Beatmung 29 3.2.5 Euthanasie des Tieres und Probenentnahme 30 3.2.5.1 Sektion des Versuchstieres 30 3.2.5.2 Probenentnahme 31 3.2.5.3 Probenentnahme aus der Lunge zur histologischen Auswertung – Fokus dieser Arbeit 31 3.3 Aufbereitung des Gewebes für die histologische Auswertung 32 3.3.1 Fixierung und Einbettung 32 3.3.2 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 33 3.3.3 Mikroskopie und Digitalisierung der histologischen Präparate 34 3.4 Auswertung der histologischen Schnitte 34 3.4.1 Diffuse Alveolar Damage Score nach SPIETH et al. 2007 und 2011 34 3.4.2 Grid Score 35 3.4.3 Statistische Auswertung 38 4 Ergebnisse 39 4.1 DAD Score Übersicht 39 4.2 Grid Score Übersicht 40 4.3 Parallele Betrachtung des DAD und GRID Scores im dorsalen Bereich des Lobus caudalis dexter (RD) 42 4.4 Ergänzende Betrachtung des dorsalen Bereiches des Lobus caudalis dexter (RD) durch die Grid Score Methode 44 4.5 Ergebnisse der erweiterten Grid Score Methode 46 4.6 Gesamtübersicht des dorsalen Bereiches des Lobus caudalis dexter (RD) 47 4.7 Probleme der Grid Score Methode und Neubewertung der Vorgehensweise 48 4.8 Evaluierung der Scoringmethoden mittels Inter- und Intraobserververgleichen 51   4.9 Ergebnisse der Gebiete „Kontusion- rechte Lunge“, „Randkontusion- rechte Lunge“ und „Contre-Coup Bereich der linken Lunge“ 54 4.10 Entwicklung eines ARDS nach Berlin Definition in den unterschiedlichen Beatmungsgruppen 55 5 Diskussion 57 5.1 Vergleich der Beatmungskonzepte auf histologischer Ebene 57 5.2 Vergleich der Methoden DAD Score und Grid Score 66 6 Zusammenfassung 69 7 Summary 71 8 Literaturverzeichnis 73 9 Anhang 81 10 Danksagung 87